一种生物膜的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种生物膜的制备方法及其应用。

背景技术

微污染水体一般是指所含有的污染物种类较多、性质较复杂，但浓度比较低微的水体。随着人们在生活、生产过程中排放的污染物对源水水质的污染越来越严重，饮用水供水安全问题得到了广泛重视。目前，世界上大多数国家的水厂采用的是常规的絮凝、沉淀、过滤、消毒等处理工艺，而常规处理工艺主要去除对象是水中的悬浮物、胶体物质和细菌，对水中溶解性有机物、氨氮、硝氮等去除效率低。因此，微污染水源水的处理技术已成为一项重要而又迫切的研究课题。

微污染水的深度处理技术主要有活性污泥法以及生物挂膜法等，其中生物挂膜是以附着在载体上的生物膜为主，净化有机废水的一种高效处理工艺，生物挂膜法通常采取细胞固定化技术，将用于污水处理的微生物固定在基质(生物膜)上，再利用该基质处理污水，具有操作简便、易于回收、活性稳定、适应性强等优点。而微生物固化技术的关键因素之一就是选择合适的生物载体(生物填料)，而传统的生物填料没办法做到迅速挂膜，也没有挂膜量大的优势，产品同质化严重，对氧气的利用率不高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种生物膜的制备方法及其应用，旨在能够增加生物膜的挂膜量，提高对氧气的利用率。

为实现上述目的，本发明提出一种生物膜的制备方法，包括以下步骤：

将高分子聚合物与有机溶剂混合搅拌，得高分子聚合物溶液；

以基材为底材料，开启静电纺丝装置将上述高分子聚合物溶液喷向所述基材表面，得纳米纤维膜；

将所述纳米纤维膜与中空纤维供氧膜组合形成生物挂膜组件；

利用淤泥和水制备有机废水；

将复合菌种溶解，曝气激活后，加入到所述有机废水中，得复合菌液；

将所述生物挂膜组件置于所述复合菌液中，养菌挂膜后，烘干，得生物膜。

可选地，配置高分子聚合物溶液的步骤中，所述高分子聚合物包括聚丙烯腈、聚醚砜树脂、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚偏氟乙烯中的任一种。

可选地，配置高分子聚合物溶液的步骤中，所述搅拌速度为550～650r/min；和/或，

所述搅拌时间为5～7h。

可选地，制备纳米纤维膜的步骤中，所述基材包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚芳酯中的任意一种。

可选地，制备纳米纤维膜的步骤中，所述静电纺丝的温度为25～30℃；和/或，

所述静电纺丝的湿度为45～60％。

可选地，制备有机废水的步骤中，所述有机废水中生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:(4～5):(0.5～1.5)。

可选地，配置复合菌液的步骤中，所述水与所述复合菌种的质量比1125:(0.5～1.5)；和/或，

所述曝气的时间为1～2h。

可选地，制备生物膜的步骤中，所述养菌挂膜的时间为14～16天。

可选地，制备生物膜的步骤中，所述烘干的温度为95～110℃；和/或，

所述烘干的时间为6～8h。

本发明还提出一种生物膜的应用，所述生物膜通过如上所述的生物膜的制备方法制得，所述生物膜用于污水处理中。

本发明提供的技术方案中，采用高分子聚合物溶液用静电纺丝的方法纺出拥有较好三维空间的纳米纤维膜，选择特别定制的吸水型蓬松类布料作为接收材料，通过调整特别定的纺丝参数使得纳米纤维膜与基材能稳稳的粘合，不需要通过热压或者添加粘合剂，基材表面的蓬松性与电纺膜的蓬松性进行了充分叠加，提供了很多的三维小空间供细菌生存并且不容易脱落，增加了生物膜的挂膜量。而中空纤维微纳米供氧膜组件，则是可以在水下提供数量更多的氧气，而且拥有更细的气泡，可以让纳米纤维生物挂膜上的细菌能更好的生存，能更好地进行反应，通过发挥中空纤维微纳米供氧膜组件更加细微和充分的氧气供给，以及与纳米纤维生物挂膜的高挂膜量之间的优势结合，可以得到更多的挂膜量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的生物膜的制备方法的一实施例的流程示意图；

图2为图1中所述生物挂膜组件的结构示意图；

图3为实施例1中所制备的PVDF纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱；

图4为实施例2中所制备的PAN纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱；

图5为实施例3中所制备的TPU纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱；

图6为实施例4中所制备的PES纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱和丝径分布图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

微污染水的深度处理技术主要有活性污泥法以及生物挂膜法等，其中生物挂膜是以附着在载体上的生物膜为主，净化有机废水的一种高效处理工艺，生物挂膜法通常采取细胞固定化技术，将用于污水处理的微生物固定在基质(生物膜)上，再利用该基质处理污水，具有操作简便、易于回收、活性稳定、适应性强等优点。而微生物固化技术的关键因素之一就是选择合适的生物载体(生物填料)，而传统的生物填料没办法做到迅速挂膜，也没有挂膜量大的优势，产品同质化严重，对氧气的利用率不高。

鉴于此，本发明提出一种生物膜的制备方法及应用，旨在提供一种能够提高生物膜挂膜量的生物膜的制备方法。图1所示为本发明提供的生物膜的制备方法一实施例。请参阅图1，在本实施例中，所述生物膜的制备方法包括以下步骤：

步骤S10、将高分子聚合物与有机溶剂混合搅拌，得高分子聚合物溶液；

在本实施例中，配制高分子聚合物溶液的具体步骤包括：首先称取高分子聚合物粉末加入到玻璃烧杯中，然后再放入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂，再使用机械搅拌器以550～650r/min的转速进行常温下的5～7h的搅拌，得到12～22％的高分子聚合物溶液，需要说明的是，将溶剂加入到粉末中的目的是为了防止高分子聚合物粉末过多而悬浮于液面，导致配置的高分子聚合物不均匀。

为了使得所配置的高分子聚合物溶液更加的均匀，所述机械搅拌器的转速为550～650r/min，且搅拌的时间为5～7h，在上述参数下，所制备的高分子聚合物溶液更有利于下一步地静电纺丝。

进一步地，所述高分子聚合物包括聚丙烯腈、聚醚砜树脂、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚偏氟乙烯中的任一种。采用上述高分子聚合物配置的高分子聚合物溶液，再结合静电纺丝工艺，能够纺出拥有较好三维空间的纳米纤维膜。

步骤S20、以基材为底材料，开启静电纺丝装置将上述高分子聚合物溶液喷向所述基材表面，得纳米纤维膜；

这里需要说明的是，对于接收基材并不做限制，但是所选择的基材需要具有很好的吸水性，同时表面蓬松，而且能够耐酸、耐碱和耐腐蚀，在本实施例中，所述基材包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚芳酯中的任意一种，上述基材都具有很高的强度，通过将高分子聚合物溶液采用静电纺丝的方法直接喷向上述基材的表面，能够使得基材表面的蓬松性与电纺膜的蓬松性进行了充分叠加，提供了很多的三维小空间，对于微生物的附着和生长有很大的作用。

进一步地，通过调整静电纺丝工艺的纺丝参数使得高分子纳米纤维膜与基材能稳稳的粘合，不需要通过热压或者添加粘合剂，保持了高分子聚合物纳米纤维的三维空间结构。因此，所述静电纺丝的温度为25～30℃，所述静电纺丝的湿度为45～60％，在上述参数范围下，所制备的高分子聚合物纳米纤维具有很好的粘性，能够直接粘合在所述基材上，从而能够保证纳米纤维膜的质量。

具体地，所述纳米纤维膜的具体步骤包括：取适量的高分子聚合物纺丝液灌入到注射器，使用生物挂膜专用布料做接收基材，在温度25～30℃，湿度45～60％的环境下，施加15kV高电压，调节纺丝间距为15cm，供液速度为1ml/h，针头左右滑动速度为15nm/s，接收辊转速为120r/min，纺丝结束后制成纳米纤维膜。

步骤S30、将所述纳米纤维膜与中空纤维供氧膜组合形成生物挂膜组件；

需要说明的是，对于生物挂膜组件的形状和大小不做限定，在本实施例中，具体地，将上述纳米纤维膜裁剪成合适的大小，随后将中空纤维供氧膜制成与纳米纤维膜适配的形状和大小，然后按照图2的方式架起固定，得到生物挂膜组件，由图2可知所述纳米纤维膜与所述中空纤维供氧膜呈间隔设置，中空纤维供氧膜处在两片纳米纤维膜的之间，通过利用风机向供氧管中鼓入氧气，中空纤维供氧膜组件与供氧管连接，使气流从中空纤维膜的微孔均匀外溢，达到曝气增氧的目的，解决传统机械曝气装备冲击力大导致核心净化组件生物挂膜上的微生物脱膜受损和产生的气泡过大而没办法充分利用氧气的情况。

步骤S40、利用淤泥和水制备有机废水；

在进行挂膜实验之前需要制备有机废水，用来供养微生物，在本实施例中，具体地的步骤是：在室温条件下，使用总容量大于50L的水桶，倒入45L的自来水，其中可以加入水的十分之一的污泥量(污泥用臭水沟的淤泥比较好，用普通的污泥也可以，该测试使用的是普通污泥)，进一步地，所制备的有机废水中生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:(4～5):(0.5～1.5)，在该比例范围下，所制备的有机废水更有利于微生物的生长。

步骤S50、用水将复合菌种溶解，曝气激活后，加入到所述有机废水中，得复合菌液；

使用5L的烧杯倒入一半的自来水，称取适量的复合菌种(硝化细菌：反硝化细菌：芽孢杆菌：假单胞菌＝5：5：4：6)，菌种溶解于自来水中，最后开启氧气泵对菌种曝气激活，复合菌种激活完毕后，便直接倒入有机废水中，进行曝气培育，并且每天定时定点放入100g的葡萄糖，为微生物的生长提供营养。

步骤S60、将所述生物挂膜组件置于所述复合菌液中，养菌挂膜后，烘干，得生物膜。

通过直接将制备好的生物挂膜组件置于复合菌液中，进行挂膜实验，方法简单易于操作。

在本申请的技术方案中，使用静电纺丝法把高分子聚合物聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜树脂(PES)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚偏氟乙烯(PVDF)等材料纺出蓬松性三维空间结构的方法，有利于氧气的进入与提高氧气利用率，并且拥有细菌亲和性，增加藏菌能力和适合菌种生长，在接收基材的选择上，选择了吸水性的材料结构，同时也具备了表面的蓬松性，而且耐酸，耐碱，耐腐蚀，拥有很高的强度，使用寿命很长；中空纤维微纳米供氧膜组件由多层功能层组合而成，微小的结构设计，使其拥有均匀的多孔结构；通过发挥中空纤维微纳米供氧膜组件更加细微和充分的氧气供给，和纳米纤维生物挂膜的高挂膜量之间的优势结合，可以得到更多的挂膜量和更好的水处理效果。

进一步地，配置复合菌液的步骤中，所述废水与所述复合菌种的质量比1125:(0.5～1.5)，所述曝气的时间为1～2h，在上述参数范围下，更有利于微生物的生长和繁殖，为生物挂膜提供质量较好的微生物。

进一步地，制备生物膜的步骤中，所述养菌时间为14～16天，养菌时间过长会导致微生物过多，而养菌时间过短微生物的量过少不利于后续的挂膜实验，因此养菌时间不易过长也不宜过短，在本实施例中，当养菌时间在14～16天之内，微生物的数量刚刚好，更有利于后续的挂膜实验。

进一步地，制备生物膜的步骤中，所述烘干的温度为95～110℃，所述烘干的时间为6～8h。

为了计算生物膜中的挂膜量，需要对制备好的生物膜进行烘干，这里需要注意的是，烘干的温度不能过高，也不能过低，温度高了会炭化微生物，温度过低烘不干生物膜，都会影响挂膜量的计算，在本实施例中，所述烘干的温度为95～110℃，所述烘干的时间为6～8h，在该参数范围内，使得挂膜量更加准确。

本申请中，采用高分子聚合物溶液用静电纺丝的方法纺出拥有较好三维空间的纳米纤维膜，所用的高分子聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜树脂(PES)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚偏氟乙烯(PVDF)等材料，选择特别定制的吸水型蓬松类布料作为接收材料，接收材料也统称基材。通过调整特别定的纺丝参数使得纳米纤维膜与基材能稳稳的粘合，不需要通过热压或者添加粘合剂，保持了纳米纤维的三维空间结构，对于细菌的附着和生长有很大的作用。而中空纤维微纳米供氧膜组件，则是可以在水下提供数量更多的氧气，而且拥有更细的气泡，可以让纳米纤维生物挂膜上的细菌能更好的生存，能更好地进行反应。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

(1)将240g的PVDF粉末加入到玻璃烧杯中，再向烧杯中加入1760gDMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂，使用机械搅拌器以600r/min的转速进行常温下的6小时的搅拌，得12％PVDF溶液。

(2)取适量的PVDF纺丝液灌入到注射器，聚对苯二甲酸乙二酯做为接收基材，在温度26℃，湿度48％的环境下，施加15kV高电压，调节纺丝间距为15cm，供液速度为1ml/h，针头左右滑动速度为15nm/s，接收辊转速为120r/min，纺丝结束后制成纳米纤维膜。

(3)将生物挂膜裁剪成10cm*10cm的正方形，中空纤维供氧膜也制成差不多大小的，然后按照图1的方式架起固定，得生物挂膜组件。

(4)在室温条件下，使用总容量大于50L的水桶，倒入45L的自来水，其中可以加入水的十分之一的污泥量(污泥用臭水沟的淤泥比较好，用普通的污泥也可以，该测试使用的是普通污泥)，其中，生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:5:1，得有机废水。

(5)使用5L的烧杯倒入一半的自来水，称取适量的复合菌种(硝化细菌：反硝化细菌：芽孢杆菌：假单胞菌＝5:5:4:6)，菌种溶解于自来水中，其中自来水与复合菌种的质量比为1125:1，最后开启氧气泵对菌种曝气1h进行激活后，便直接倒入有机废水中，曝气培育15天，并且每天定时定点放入100g的葡萄糖，得复合菌液。

(6)将步骤(3)中的挂膜组件置入(5)中得复合菌液中，曝气进行养菌挂膜30天后，把挂膜的木架放入100℃得烘箱中烘7h，得生物膜。

图3为PVDF纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱，从图3中可以看到12％PVDF的形貌为三维空间结构，因为使用了特定的静电纺丝工艺的参数，导致PVDF的丝纺有粗有细的情况，而这样也形成特殊的多层次结构和三维空间结构。另外，对实施例1中所得生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表1。

表1生物挂膜挂膜量统计

实施例2

(1)将240g的PAN粉末加入到玻璃烧杯中，再向烧杯中加入1760gDMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂，使用机械搅拌器以550r/min的转速进行常温下的7小时的搅拌，得12％PAN溶液。

(2)取适量的PAN纺丝液灌入到注射器，聚对苯二甲酸丁二酯做为接收基材，在温度25℃，湿度45％的环境下，施加15kV高电压，调节纺丝间距为15cm，供液速度为1ml/h，针头左右滑动速度为15nm/s，接收辊转速为120r/min，纺丝结束后制成纳米纤维膜。

(3)将生物挂膜裁剪成10cm*10cm的正方形，中空纤维供氧膜也制成差不多大小的，然后按照图1的方式架起固定，得生物挂膜组件。

(4)在室温条件下，使用总容量大于50L的水桶，倒入45L的自来水，其中可以加入水的十分之一的污泥量(污泥用臭水沟的淤泥比较好，用普通的污泥也可以，该测试使用的是普通污泥)，其中，生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:4:0.5，得有机废水。

(5)使用5L的烧杯倒入一半的自来水，称取适量的复合菌种(硝化细菌：反硝化细菌：芽孢杆菌：假单胞菌＝5:5:4:6)，菌种溶解于自来水中，其中自来水与复合菌种的质量比为1125:0.5，最后开启氧气泵对菌种曝气1～2h进行激活后，便直接倒入有机废水中，曝气培育14天，并且每天定时定点放入100g的葡萄糖，得复合菌液。

(6)将步骤(3)中的挂膜组件置入(5)中得复合菌液中，曝气进行养菌挂膜30天后，把挂膜的木架放入95℃得烘箱中烘6h，得生物膜。

图4为PAN纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱，从图4中可以看到12％PAN的形貌为三维空间结构，因为使用了特定的静电纺丝工艺的参数，导致PAN的丝纺有粗有细的情况，而这样也形成特殊的多层次结构和三维空间结构。另外，对实施例2中所得生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表2。

表2生物挂膜挂膜量统计

/>

实施例3

(1)将400g的TPU粉末加入到玻璃烧杯中，再向烧杯中加入1600gDMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂，使用机械搅拌器以650r/min的转速进行常温下的5h的搅拌，得20％TPU溶液。

(2)取适量的TPU纺丝液灌入到注射器，聚芳酯做为接收基材，在温度28℃，湿度50％的环境下，施加15kV高电压，调节纺丝间距为15cm，供液速度为1ml/h，针头左右滑动速度为15nm/s，接收辊转速为120r/min，纺丝结束后制成纳米纤维膜。

(3)将生物挂膜裁剪成10cm*10cm的正方形，中空纤维供氧膜也制成差不多大小的，然后按照图1的方式架起固定，得生物挂膜组件。

(4)在室温条件下，使用总容量大于50L的水桶，倒入45L的自来水，其中可以加入水的十分之一的污泥量(污泥用臭水沟的淤泥比较好，用普通的污泥也可以，该测试使用的是普通污泥)，其中，生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:4:1.5，得有机废水。

(5)使用5L的烧杯倒入一半的自来水，称取适量的复合菌种(硝化细菌：反硝化细菌：芽孢杆菌：假单胞菌＝5:5:4:6)，菌种溶解于自来水中，其中自来水与复合菌种的质量比为1125:1.5，最后开启氧气泵对菌种曝气2h进行激活后，便直接倒入有机废水中，曝气培育16天，并且每天定时定点放入100g的葡萄糖，得复合菌液。

(6)将步骤(3)中的挂膜组件置入(5)中得复合菌液中，曝气进行养菌挂膜30天后，把挂膜的木架放入110℃得烘箱中烘6h，得生物膜。

图5为TPU纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱，从图5中可以看到20％TPU的形貌为三维空间结构，因为使用了特定的静电纺丝工艺的参数，导致TPU的丝纺有粗有细的情况，而这样也形成特殊的多层次结构和三维空间结构。另外，对实施例3中所得生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表3。

表3生物挂膜挂膜量统计

实施例4

(1)将600g的PES粉末加入到玻璃烧杯中，再向烧杯中加入1400gDMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶剂，使用机械搅拌器以610r/min的转速进行常温下的6h的搅拌，得22％PES溶液。

(2)取适量的PES纺丝液灌入到注射器，聚对苯二甲酸乙二酯做为接收基材，在温度30℃，湿度60％的环境下，施加15kV高电压，调节纺丝间距为15cm，供液速度为1ml/h，针头左右滑动速度为15nm/s，接收辊转速为120r/min，纺丝结束后制成纳米纤维膜。

(3)将生物挂膜裁剪成10cm*10cm的正方形，中空纤维供氧膜也制成差不多大小的，然后按照图1的方式架起固定，得生物挂膜组件。

(4)在室温条件下，使用总容量大于50L的水桶，倒入45L的自来水，其中可以加入水的十分之一的污泥量(污泥用臭水沟的淤泥比较好，用普通的污泥也可以，该测试使用的是普通污泥)，其中，生化需氧量、氮元素和磷元素的质量比为100:4:1，得有机废水。

(5)使用5L的烧杯倒入一半的自来水，称取适量的复合菌种(硝化细菌：反硝化细菌：芽孢杆菌：假单胞菌＝5:5:4:6)，菌种溶解于自来水中，其中自来水与复合菌种的质量比为1125:1，最后开启氧气泵对菌种曝气1h进行激活后，便直接倒入有机废水中，曝气培育15天，并且每天定时定点放入100g的葡萄糖，得复合菌液。

(6)将步骤(3)中的挂膜组件置入(5)中得复合菌液中，曝气进行养菌挂膜30天后，把挂膜的木架放入100℃得烘箱中烘7h，得生物膜。

图6为PES纳米纤维膜的电子扫描电镜图谱和丝径分布图，从图6中可以看到22％PES的形貌为三维空间结构，且丝径分布为300～400nm之间，因为使用了特定的静电纺丝工艺的参数，导致PES的丝纺有粗有细的情况，而这样也形成特殊的多层次结构和三维空间结构。另外，对实施例4中所得生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表4。

表4生物挂膜挂膜量统计

对比例1

删除实施例1中(1)和(2)，将(3)中生物挂膜用生物基材代替，其他条件与实施例1保持一致。并将所得的生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表5。

表5生物挂膜挂膜量统计

对比例2

删除实施例1中(3)步骤中的中空纤维供氧膜，其他条件与实施例1保持一致。并将所得的生物膜进行了5次挂膜量计算，结果如下表6。

表6生物挂膜挂膜量统计

性能测试结果

通过对实施例1-3和对比例1所制得的生物膜的挂膜量进行了计算和对比，如下表6所示。

表6对比结果

由表6可以看出，相对于对比例1-2，实施例1-4中生物膜的挂膜量达到了330g/m

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。